孫開旗，肖玉德

（安徽交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

0 引言

靜三分力系數(shù)是在橋梁抗風(fēng)領(lǐng)域中最基本的無量綱氣動參數(shù)，用于表征橋梁風(fēng)荷載，是橋梁靜風(fēng)荷載馳振響應(yīng)分析、抖振響應(yīng)分析和穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)。

本文以計算流體力學(xué)為基礎(chǔ)，用相關(guān)軟件對斜拉橋主梁截面周圍的靜力流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，研究風(fēng)在不同攻角下對靜三分力系數(shù)和Storohar 的影響，得出風(fēng)攻角對本橋主梁氣動特性的影響規(guī)律，進(jìn)而對實際工程起到指導(dǎo)、借鑒作用[1]。

1 氣動系數(shù)

1.1 靜風(fēng)三分力系數(shù)

靜風(fēng)三分力和靜風(fēng)三分法力系數(shù)表示如式（1）至式（3）所示。

式 中：FD——阻 力；FL——升 力；MT——扭 轉(zhuǎn) 力 矩；CD——阻力系數(shù)；CL——升力系數(shù)；CM——扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)；ρ——空氣密度；U——來流風(fēng)速；D——主梁特征高度；B——主梁特征寬度。

1.2 Storohar 數(shù)

流體流過橋梁結(jié)構(gòu)后通常會產(chǎn)生旋渦脫落現(xiàn)象，這是引起橋梁結(jié)構(gòu)渦激振動的主要原因。Storohar 數(shù)計算如式（4）所示。

式中：St——Storohar 數(shù)；f——渦脫頻率；H——結(jié)構(gòu)特征尺度（橋梁截面高度）；U——來流速度。

2 工程實例

2.1 基本概況

本文以某斜拉橋為研究背景，主橋跨徑布置（150+320+150）m，全長620m，為雙塔三跨雙索面半漂浮體系斜拉橋，主塔采用雙“子”式混凝土橋塔。主梁中心處梁高3.2m，頂面寬31.0m，底面寬31.2m。本文研究風(fēng)攻角對橫隔梁處斷面氣動系數(shù)影響。

2.2 計算域與網(wǎng)格劃分

計算模型的尺寸采用實際尺寸。經(jīng)參考相關(guān)文獻(xiàn)和數(shù)次嘗試，計算域確定為：主梁中心至速度入口距離為6B，至上、下對稱邊界的距離為8B，至壓力出口的距離為20B，其中B 為橋梁寬度值，主梁模擬區(qū)域計布置如圖1 所示。

圖1 主梁模擬區(qū)域布置

網(wǎng)格生成是CFD 軟件數(shù)值模擬的重要組成部分。為了使計算網(wǎng)格適應(yīng)流場特征量的變化，需要對流場特征量梯度大的網(wǎng)格進(jìn)行加密，而特征量梯度小的網(wǎng)格可以適當(dāng)稀疏，兩者之間的網(wǎng)格大小應(yīng)均勻[2]。網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 網(wǎng)格劃分

2.3 計算工況

考慮風(fēng)攻角為：±12°、±10°、±8°、±6°、±4°、±2°、0°，共13 個攻角變化工況。

3 風(fēng)攻角對靜力三分力系數(shù)影響

3.1 數(shù)值模擬結(jié)果

指定入口來流速度為20m/s，ρ 取1.225kg/m3，湍流模型采用SST k-ω。通過數(shù)值模擬，得到不同攻角下的三分力系數(shù)，如圖3、表1 所示。

表1 不同攻角下三分力系數(shù)

圖3 不同風(fēng)攻角下三分力系數(shù)

通過數(shù)值模擬可以得出。

阻力系數(shù)CD從風(fēng)攻角-12°向0°基本呈逐漸減小趨勢，而從風(fēng)攻角0°向+12°呈逐漸增大趨勢；風(fēng)攻角0°時為最小值0.024，風(fēng)攻角-12°時為最大值0.519。

升力系數(shù)CL從負(fù)攻角到正攻角整體呈逐漸增大趨勢，且在負(fù)攻角范圍內(nèi)數(shù)值為負(fù)值，正攻角范圍內(nèi)為正值，風(fēng)攻角+8°后數(shù)值變化較平緩。

扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)CM從負(fù)攻角到正攻角整體基本呈平緩下降趨勢，數(shù)值在0 附近波動；在負(fù)攻角范圍內(nèi)為正值，而在正攻角范圍內(nèi)為負(fù)值。

3.2 規(guī)范建議取值

《公路橋梁抗風(fēng)設(shè)計規(guī)范》5.3.2 條對部分形式的主梁斷面阻力系數(shù)給出了式（5）。

本文橋梁斷面阻力系數(shù)按照規(guī)范建議取值為1.3，與數(shù)值模擬值差距較大，主要是因為本文橋梁斷面與規(guī)范中箱梁斷面有區(qū)別且規(guī)范中未考慮來流風(fēng)攻角的情況，數(shù)值模擬與規(guī)范建議結(jié)果存在一定的差異，因此對實際較復(fù)雜斷面，應(yīng)采用風(fēng)洞試驗或者數(shù)值模擬進(jìn)行分析確定靜三分力系數(shù)[3]。

4 風(fēng)攻角對Storohar 數(shù)影響

通過對升力系數(shù)時程曲線進(jìn)行FFT 變換，得到渦脫頻率f，再代入式（4）求出St，結(jié)果如表2、圖4 所示。

由表2 及圖4 可知，風(fēng)攻角-10°和-6°時升力系數(shù)頻譜圖卓越頻率不明顯；風(fēng)攻角-8°～+6°范圍內(nèi)Storohar 數(shù)變化不大，在0.4 附近波動；隨著風(fēng)攻角的增大，Storohar 數(shù)也變大[4]。

表2 不同攻角下Storohar 數(shù)

圖4 不同風(fēng)攻角下Storohar 數(shù)

5 結(jié)語

本文對某斜拉橋主梁截面周圍的靜力流動進(jìn)行了數(shù)值模擬，通過分析風(fēng)在不同攻角下對靜三分力系數(shù)和Storohar 數(shù)的影響，得出以下結(jié)論：

（1）阻力系數(shù)從風(fēng)攻角-12°向0°基本呈逐漸減小趨勢，而從風(fēng)攻角0°向+12°呈逐漸增大趨勢；風(fēng)攻角0°時為最小值0.024，風(fēng)攻角-12°時為最大值0.519。

升力系數(shù)從負(fù)攻角到正攻角整體呈逐漸增大趨勢，且在負(fù)攻角范圍內(nèi)數(shù)值為負(fù)值，正攻角范圍內(nèi)為正值，風(fēng)攻角+8°后數(shù)值變化較平緩。

扭轉(zhuǎn)力矩系數(shù)從負(fù)攻角到正攻角整體基本呈平緩下降趨勢，數(shù)值在0 附近波動；在負(fù)攻角范圍內(nèi)為正值，而在正攻角范圍內(nèi)為負(fù)值。

（2）對實際較復(fù)雜斷面，應(yīng)采用風(fēng)洞試驗或者數(shù)值模擬進(jìn)行分析確定靜三分力系數(shù)。

（3）風(fēng)攻角-10°和-6°時升力系數(shù)頻譜圖卓越頻率不明顯；風(fēng)攻角-8°～+6°范圍內(nèi)Storohar 數(shù)變化不大，在0.4 附近波動；隨著風(fēng)攻角的增大，Storohar 數(shù)也變大。